Sturing in het waterbeheer

samwat rapporten nummer

*ing in het

samwat

SAMenwerktng op het gebied van het ander zoek ten behoeve van het WATerbeheer

STURING IN HET WATERBEHEER

STURING IN HET WATERBEHEER

onder redactie van P. Kog

SAMWAT-rapporten nr. 6 's-Gravenhage, december 1990

1

Sturing in het watcrhchcer/(rcd. I'. Kog) 's-(;ravenhage: I3urc;iu S A M W A T , T N O , ill ( S A M W A T r a p p o r t c n : n r 6)

Met lil. opg.

ISBN W 6 7 4 1 - 1 8 8 ~ 5

SISO hi1.2 111X ii31.7:55ó.iXjf4Y2)

Trcl'woordcn.: niicticchnick; waicrtiiii$l~iiudingliialcrl)chcer;

Nederland

INHOUD

SAMENVATTING

1 W U K I Y C IN IIET WATEI<REIIEEK l . 1 Het kader: (dagelijks) operationml behccr l . 2 Terminologie

1.3 Regel- en besturingsprincipes

1.4 De achilleshiel: het mathematisch mudd

1.5 Een waterkwaliteitrvooibceld: besturing van het Zaangemaal 1.6 Opbouw van het rapport

2 VAN 1'EII.REIIEEK KAAK WATI.:RBEIIEER 2.1 Irileiding

2.2 Benutting en b m r d e l i n g 2 . 3 De cycli in het waterbeheer 2 . 4 Normen in het heden en verledcn

2.4.1 Hel peil

2.4.2 Het HW-lijn en de NW-lijn 2 . 4 . 3 A a n en afvoernormen

2.4.4 I>e maximale waterstandistijging (h,,,,) 2.4.5

r k

2 . 4 . 6 Scorer en standaardafwijkingen 2 . 4 . 7 Ucdrijfsgegevens

2 . 4 . 8 Waterkwaliteitsnormen 2.4.9 Ecologische normen

2.5 Beoordeling watersystemen in de toekomst 2.5.1 De gewenste toestand

2.5.2 Het dynamische syiteemgedrag 2 . 6 Sturing in het waterbehccr

2 . 7 Van peilbeheer tot w a t e r b c h ~ r

3 h O O l > % A A K I.:S ' 1 ' O l ' A S S l S I . S V h N S ~ I ' C K 1 S G S S I \ I L I . ~ \ I I t S 37

1. I Irilcidirig 37

1 . 2 Ilct g d r a g van ccn (gestuurd) u:iti.rsysteciii 1 8 3 . 3 V o o r w ; ~ r d c n vinir het gcbriiik var1 stiirin~ssiinulatics 4 2

3.3.1 Irivwr van licl systccirt J?

1 . 3 . 2 (;ulragslieichrijving J 3

i 1 1 Iivaludtic van d e uitvocr J6

1 . 3 4 Overige voorzieningen 47

1 . 4 'ï'~xpn\singen van sturiiigs~irniilalies 47

1 . 4 . 1 Oiilwcrp 37

1 . 4 . 2 Hetieer J 8

3 . 4 . 1 hlodernisitic X1

3 . 4 . 4 'Training 50

1 . 5 Samenvalling en conclusici 5 1

4 1>E IS'l'1<I.I.I<;ES1'1E VAK I I E T SYS'I'I:I31:

1)E S l ' C K 1 S G S S I ' l < A T F ~ ~ ~ 1 1 ~ ~ 4 . 1 Inleiding

4 . 2 Argiirncriten voor storing 4 . 3 Indeling van sturingssyslcrncn

4 . 4 N<xxizikclilkc inl'orrnat~e v w r de afleiding van d e stratcgic 4 4 . 1 De o p r a i i r ~ n c l c dodcri

4 . 4 . 2 I k ~crstiiringcn van hel systccili 4 . 4 . 3 I<;indv~x>rw:iardcri

4.5 hlctti<ideii v w r de bcp;iling van dc sturingssiratcgic 4 . 6 Samenvatting en slotbcschwwiiig

5 O P E R A T I O S E E I , W A ' ~ E : K K W A L I T l ~ ~ I ~ I ' S I ~ F ~ I I I . ~ I ~ K O P KIXIOSA1.I:

SCIIAAI. 73

5.1 LX watcrhiii\tioudirig van dc Utrcilitsc Vcclil 73

5 . 1 1 Inleiding 73

5.1 . 2 ikwaierkwantitcit 74

5. 1.3 De waterkwaliteit 5.1.3.1 Algemeen

5.1.3.2 De zuurstofhuishouding 5 . 2 De regeling van het zuurstofgehalte

5.2.1 De opbouw van de regeling 5.2.2 I k werking van de regeling 5.2.3 Alternatieve regelingen 5.3 Operationeel beheren of saneren

6 BLSTtiRINGSSYSTEEM VOOR IIET IIIOOI,STEI,YEI.

V A N UTKECIIT

6. l Ontstaan en ontwikkeling Utrechtse rioolstelsel h. 1 . 1 Historische ontwikkeling

6. l .2 Hct centraal rioolstelsel 6.2 Automatisering besturing rioolgemalen

6.2.1 Aanleiding tot de aut<imati\ering 6.2.2 Programma van eisen

6.2.3 Besturingsprogramma

6.2.4 Dcperkingcn en randvoorwaarden 6.2.5 Overige regelingen

6.3 Configuratie 6.4 Software 6.5 Uitvoering

7 AüTOMA1'lSEKIh'C V A N IIET Pk31,UEHEEK IN DI.:

FLEVOPOLDEKS 7.1 Inleiding

7.1.1 Gebiedsbeschrijving 7.1.2 Wijze van waterbeheersing 7.1.3 Aanleiding voor automatisering 7.2 Vooronderzoek

7.2. l Doelstellingen en maatrcgclen

7.2.2 Ikpaling bcsturingrcoricepi 7 . 2 . 3 Ondcrzwk dynamische arpcctcn 7.2.4 Opstellen besturingsWacgie 7 . 2 . 5 Ko\tcnibaten-analy \c 7 . 3 Ontwerp

7 . 3 1 1:unctionwl ontwerp

7 . 3 . 2 filektro-rneclianischc aspcctcn 7.3.3 Inslrunienlltie

7.4 Realisatie

7.4. l Aanneiiierssclectic

7 . 4 . 2 ï'e\tcn en inbïdrijf,>tdling 7 . 4 . 1 I'lanningr;irpcct~n cn kostcri 7.5 Toekonistig gcbruik

7.5.1 (kbruik van rieerslagin(<iriii:iiie 7.5.2 Kwalitcitsmeetplariiicn

SAMENVATTING

In dit rappon wordt allereerst d e te gebruiken terminologie behandeld, waarna het regel- en besturingsprincipe wordt belicht. Vervolgens wordt beknopt aandacht geschonken aan het belang van een inathcmatisch model. In het volgende hmfdstuk wordt ingcgann o p d e noodzaak d e doelen van het operationeel beheer scherp te formuleren. Daarbij wordt w n lans gebroken voor het althans ten dele vervangen van referentiewaarden (normen, stan- daards, vuistregels) door een doelfunctie waaruit het gcwcnste gedrag dynamisch kan worden afgeleid. Geen sturingsalgoritme zonder duidclijk geformuleerde doelstelling. Hierop aansluitend wordt ingegaan o p het begrip besturirigsstratcgic, waarbij zin d e orde komt inct welke aspecten en factoren rekening moet wurden getiouden. k n beituringsstrategie beslaai dus uit een tijdreeks van sturingen, die eventueel kunnen worden gcïinplemcntwtrd via dynamische instelling van d e set-points van de prirnairc regeikringen. Zoals hierbovïn uiteengezet spcelt in deze benadering van d e dynamische optiinalisatie van een expliciet geformuleerde doelstelling hei model van het syitwin w n wezenlijke rol. Het model vormt het onderwerp van het volgende hoofdstuk. Hierbij w(1rdt gewezen o p het cruciale belang van m~xlelsimulatics, niet allwn voor het behecr, maar ook v r x ~ r untwcrp, rn«dernisatic, en training van pcrsonwl.

Na deze inleidingen vanuit de thwrctiichc hoek volgen d e hoofdstukken waarin de praktijk centraal staat. Allcrwrst wordt ingegaan o p het nieuwe autornatischc bcsturingssyitwm voor het rioolsteliel van d e stad Utrecht. Uit dit v w r b w l d wordt duidclijk dat d e te kiezen strategie afhankelijk kan zijn van d e omstandigheden. De vcritoringen in het waterbcheer zijn duidelijk niet te karakteriseren a l kleine prturbaties, maar kunnen zeer wezenlijk zijn (droog versus regenweersituaties). Aansluitend wordt een overlicht gegeven van het ontvangende oppervlaktewater, en de rnogelijkhdcn de waterkwaliteit te beinvloeden dour manipulatie van het debiet van d e Vecht. Hel is d a r b i j interesiant om te bezien in hoeverre d e nagestreefde optimaliteit bij het rioolbeheer ook geldt indicn het zuivcringsbeheer en het oppcrvlaktewaterkwalitcitsbeheer in d e beschouwingen worden betrokken. Tenslotte wordt een expore gegeven over d e automatisering van het pcilbchwr in d e Fievopolder, waarbij een groot aantal praktische aspecten d e revue p a i i w r t .

G . van Stralen

1.1 Ilet kader: (dagelijks) o p r a t i o n e e l h e h r e r

Nederland heeft een eeuwenoude traditie op het g e b i d van het dagelijks opcration-cl hcliccr van watcr. I k belangrijkstc middelen die onze voorouders i r i de Iage p«ldcrgebieclcn icr Ihcschikking stonden waren s l u i ~ e n en door windinolcri\ aangcdrcvcn v i j ~ c l s . Ook t c g u woordig zijn dit nog st&s d e belangrijkste \tuurmiddelen, al hchben d e iriulcn\ v r i i ~ . e I geheel plaats gemaakt v m r moderne pompen en gemalen

];én van d e belangrijkste doelstellingen van hct iqxrationeel beheer. zowel vroeger als nu, i \ hel handhaven van het pcil o p een voor de landbouw en overige belangen gochikrc wzirdc.

I>oor tiet vastleggen van ccn strccf'pcii wordt bereikt dat i n tijdcii van waterhchocitc w;ircr wordt aangevoerd, terwijl bij een overschot walcr iiioxt wiirclcn afgevoerd. O o k i i i de hogere gebieden kent het beheer soortgelijkc dwlitellingcri, w a r b i j d e biockrcgulcriiiii liccl't gezorgd voor ccn stuurmiddel in tijden van geringe water;Uinvocr d m r d e iriogclijklicid water in stuwpanden vast te houden.

Naast het regionale waterbchccr l i j n er nog andere vormen var] iqxratiiincel watcrhcliccr. I t . d e sfeer van het oppervlaktewater valt te denken aan hit b d i e n e n van de rtiiwiniddclcn iri

d e grote rivieren en het operationele beheer van de vcr\chiilcndc kurtwcrkcn. O o k oridcr dc grond rijn waterstransportsystemen te vinden w a r v w i r ecri opcratiuneel bcliwr niidig i\: hel drink- en industriewaternetwerk, en het ricdstcl\el

I k laatste decennia is s t d s duidelijker geworden dat de klassieke algemene d«clstclIirigcii:

zorgen voor voldoende watcr van d e gewenste kwaitcit, zorgcn vixx wn (intlating hij

w:iterowr%hot, en mrgeri d;it hct niet te d r ( q e11 niet te nat wordi, iiict i m i r ;tlli: licl,trig~

Iichl~cndcii kan w ~ i r d c i i verwild in v w r allen gelijke opcrationcle d~Istclliii:cii. l111 u,is ,,l nict m b i j het ~ i i i v e r e kwantiteitsbeheer, denk maar aan de bclangentegeristclliiig tusscri watcronttrckking aan het griindwatcr en de ehadc v w r het hocrenhedrijf en natuiirgct>i~~dcti.

en de v a k tcgcngestcldc helangen van natuur en agrarirche sector in het pcilbcliccr. hl;i;u d c i c problemen ~ i j n nog ver~w;i;ird d o r de sterke twiiamc van de a;iiiwc~iglieid vali vcrviiilende stoffen i n het waicr, waardoor t r s n ï p r t van water ook tr;irisport v m s t i ~ t t c i i iiict ï i c h mcchrcngt die belangrijke gebruik en vcrhruikíiincties kunricii ;i;iiit;i\tcii.

I1it gegeven Icidl crtoe dat hel waterbehecr nict uitsluitend mag zijn gericht <I[) het ku;iriti~

t ~ ~ t \ b e h c e r , maar dat ook niet a\pecten van kualiteit rekening incm wordcn gchuiidcn. Ik corriplcxitcit van het hcliccrivriUtgstuk is hierdíx~r a;in/.icnlijk tocgcnoincii. I l i i i s gijcd tc zien z i n de 11iiivang van de rapporten die in het k;iOcr van de integr;ilc [>l;inningsstudic I'olicy Analysis ^111' Water iiiaiiagciiieiil iii thc Nctherlarid\ (I'AWN) l i j n gcpri>diiccerd. [ : I [Ie I'AWN~studic vloeit een trxdeliiig van water v w r t die optiinaal i s bij de g e k o ~ i i NL.:III:

v;in de vcrsctiillcndc belangen I ) w e lange tcrrriijii tixdcling stelt r a n d i ~ x r i ~ a a r d c i i xiii l i c t lichwr, rnaar lost echter nog niet het dagelijkse hcticcrsprobleem op.

Ijij het dagclijk% 'tactische' hchcer krijgt iiicn tc iriakeri met het dynamisch k x a k t c r i : i r i ticl watersysteem, w n a s p a t dat hij de stratcgischc ~ l p t i i i i a l i u t i e over langcrc icriirijri ' u e g g c ~ iiiiddcld' is. b v e n d i e n is het nict ïondcr niccr duidelijk ho= de korte termijn rcgeliiip eri sturing moet worden ingericht orn ervoor te ïorgen dat ook op het dclailnivcau van de dagelijkse praktijk de verschillende belangen 70 g»cd mogelijk kunnen worden gediend.

K ~ i r t o m , het lijdt geen twijfel dat het b i j het dagelijks beheer nodig is rekemng te houden iiict tiet dynamische karakter van de systemen. Het \iaat daarbij geenvins vast d;ii hei streven naar vaste pcilen in de helaiigcnafwcging in enige zin optimaal zuil zijn. Ook tcii aanzien van het kwaliteitsbehecr kan het streven naar rigide handhaving \;in \;iste iiorrncri tot ecn verstarring leiden die lot verspilling leidt, terwijl de speelruimte die het dyriaiiri\~li karakter van de watersystemen b i d t onbenut wordt gelaten.

Het doel van dit symposium i s orn de mogelijkheden die kennis van de dynamische eigcnrchappen van de systcrnen h i u l i nader tc hcstudcrcn. I k z e mogelijkhulen zijn de

laatste jaren aanzienlijk groter geworden door twee oorzaken: enerzijds een aanzienlijke ontwikkeling in de theorie van sturing en regeling van dynamische systemen in het alge^

meen, en anderzijds de snelle ontwikkeling van de micro-electronica, waardoor althans hardware-matig de prestatie-kostenverhouding enorm is gestegen

Vooraf moet worden opgemerkt dat het gebruik van moderne besturingsthwrie niet noodrakelijkerwijs synoniem is met automatisering, al is liet ontegenzeggelijk zo dat de moderne techniek vele functies automatisch kan uitvoeren. Dit rapport gaat niet over automatisering o p zich, maar meer over de strategie en de concepten die aan de sturing i n het waterbeheer ten grondslag liggen. Het gaat dus niet alleen om het mogelijkerwijs automati.sch uitvoeren van functies die voorheen door menselijke tus.xnkomst werden verricht, maar veel meer over een fundamenteel andere wijze van denken over het bchmr zelf.

1.2 Terminologie

Alvorens dieper in te gaan op het thema van dit rapport, is het zinvol een toelichting Ic geven o p de te gebruiken terminologie. We maken daarbij gebruik van begrippen uit het vakgebied van de systeeindynamica. De interactie van een systeem of proces met zijn omgeving gebeurt via ingangs- en uitgangsgrwthden, ook wel ingangs en uitgangsvd- riabelen genoemd om aan te geven dat zij kunnen varieren in de tijd (zie Figuur 1.1):

OMGEVING SYSTEEM OMGEVING

INGAIIGSVARIABELEN UITGAIIGSVARIABCLEII

Figuur l . 1 Systeem en omgeving

1

IJitgang\vanabeleii I k afhankelijke variahclcn die het resultaat /ijn mri de rc;ictie \:i:> liei proces of systccin up de ingmg\variahcIe (I:ng: oiitpuii;iri;ihlcs i><

~>utpiits).

I'aramclcrs Iri principe con5t;inie grwtliedeii van het prltics of s)sleeiii (Iic hep;dend lijn vmir het dyriaiiiiscli gedrag íI:ng: paraiiictcrsj.

I)c~cll<le tcrminologic wordt gebruikt al\ iiicii het heeft w c r w n m d c l iixlr l i i i \jitci.iii.

AI; het m d c l ccn iiiathcin;iti\ch i i i < x k 1 5 , hijv<x~rhccld in de burin vati diiiircnti;talvcrgi.~

[ijkingen, dan rijn de pnrairicters de cocfficicrilcn van d c vcrgclijklrigen. d e inpiit\ de onalhankelijke grwtlicdcn die al\ tijdfiinctic\ r>C tijdreckscn gegeven nioetcri rijn m i n121 lil.!

ino(lcl tc kiinneri rekericii, cri de oiitputi de Iicrckcnde \;irialiclcri. Ikii liiic\ic ti d;ii ;dIc hcrckcride variahelcn waarv(xir in tic1 iiii>dcl cc11 d i I ( c r c i i t i ; ~ i l i c r g ~ I i i k ~ r ~ g ;Uiriuciip ^{i \} inib.

wel kxst;ind\variahclcn ([mg: \uilt ~ a r i a h l c s ) worden g e n ~ x i n d . terwijl dc oiitpiiti;iriahclcii dan de daadwerkelijk n a r huiten g c v w r d e variabelen vo«rstcllcn. 1.m voorbeeld: oiii de cimccntratie in ccn rivier te herekenen wordt riieeital gewerkt inct een ruimtelijk gcdiscreli~

i w r d r n d c l . I k loc\tarid\variahelcii rijn dan de h a r d e n in elk berckciiiiig\elciiieiit ( ( l i l kunnen e r vcle tiondcrdcri /ijnj, terwijl dc iiiitliuti;iri;il>elcn allccri de v.;cirdcri Iilri r i p de p l a t s e n waan111 gcrriclcri wordt.

Ihj ccn proces of syitcciii dat wordt geregeld o f geitiiurd is hel gebruikelijk een verdere onderverdeling te iiiaken í ~ i c 1:igiiiir I . ? j :

Siuurvariahelen Ilc ing;iiigiv;ir~at>clcn die ,xi~rclcn gebruikt om via t i i i r i iiiiktid liet prixcs te regelen of te \tiircii. Ook rcgcliariahelcn. s1m\ ik iii\tru- nicntvariabelen gcnwnid (Eng: c o n t r d variahles; ctintriil input\)

Instelvariabelen Ingang\gr<x>tliulcn die niet worden gchruikt voor de rcgcling nizir dic wel ecn hep;aldc w a r d e niwten hehhen o m het proces of systeem tc

Verstoringen

Geregelde grootheden

Figuur 1 .Z

kunnen laten functioneren (Eng: adjustable inputs)

De ingangsvariahelen die onbedoeld up het proces inwerken (Eng:

disturbances).

De uitgangsvariabelen die door middel van de regel- of stuuriictics op een gewenste waarde worden gebracht of gehouden (Eng: controllcd variables)

I

Variabelen bij een geregeld systeem

Als de gewensle waarde een coniwnte is spreekt men wc1 van regelen, terwijl de tïrin sturen wel wordt gebruikt indicn de uitgangsvariabele een bepaald tijdipad moet volgen. Hct onderscheid is echter niet scherp (in het Engels in beide gevallen: control).

Naast deze indeling is het vaak zinvol een onderscheid te maken tusxn gemeten en niet gemeten grootheden (zie voor combinaties het Venn-diagram van Fig. 1.3).

Figuur 1.3 Verzamelingen van vaiabelen en hun onderlinge verbanden

S

l Voorbeeld

I k i c h o u w het ccnvoudigc s y w m gctckcnd in Figuur 1.4a. lir is een hak (q. c m rioolhwy dic van tijd tot tijd watcr ontvangt rnet ecn tildvariabel debiet (>,.(t). Het i i i ~ c a i i i n de Ikik I S

hítj. k n pirnp, hestiiurd <i<xir schakclaar \(t) ponipt watcr o p n a r wn hiigcr pclcgcri l x i k

I riict niveau he(t). Het poiiipdchict i s (),,(t).

l f i g u u r 1 .4a I.y\ieke iystwiii

l.iguur 1 .4h Input o i i t p i ~ t diagraiii van hct ongeregelde systeeni

h

h s1 INSLAG REGELAAR

h r2 UITSLAG

Figuur l .4c Input-output diagram van het geregelde systeem

Wat zijn nu de ingangen en uitgangen van dit systeem? Kijk hiervoor naar de benodigde informatie (Figuur 1.4b).

Voor de pomp alleen geldt dat het debiet Q alhankelijk is van de stand van d e schakelaar s([). De variabele s(t) is een instelvariabele, Q, is een uitgangsvariahele. Omdat het

p m p d e b i e i afhankelijk is van de opvoerhoogte is ook kennis van h en h, nodig. L k z e input5 kan men voor de pomp opvatten als verstoringen.

Voor de bak alleen geldt dat Q,.(t) een ingangsvariabele is, die fungeert als verstoring (van het nivcau h). Het niveau h(t) is uitgangsvariabele. Maar om h te kunnen berekenen is (x)k C

)

, nodig. <),ft) is voor de bak dus een ingangsvariabcle.

Voor het systeem als geheel kan nu direct aan de figuur worden afgelezen wat de i n en uitgangen zijn. Verstoringen zijn Q, en h,, de instelvariabele is s, en h is de uitgangsva- riabeie. Ook Q, kan voor het systeem als geheel als uitgangsvariabele worden gezien (al dan niet gemeten). D e dimensies van de bak, en de pompkarakterisiiek zijn de parameters van het systeem (niet getekend).

Als aan het systeem een regelaar wordt toegevoegd, bijvoorbeeld een automatische aanluit schakelaar o p basis van een inslag- en uitslagpeil, dan ontstaat de situatie van Figuur 4c.

Q,, en h, blijven verstoringen, h wordt nu de geregelde uitgang. en $1) is de st~iiiringatig.

Daarnaast zijn nu ook de set-points voor inslag en uitslagniveau h s l en h52 iiigangen (instelvariabelen). Naast de parameters van de hak kunnen er nu ook dirncnsioncriiigsp;ir;i- mïtcrs van de regelaar zijn (bijvwrbeeld een inschakelvertraging). Als d c ~ e par;iinctcrs \;ril

buiten af instelbaar zijn, kunnen r e ook worden opgevat als instelvariabelen. l l c t onder- scheid t u s x n parameters en inputs vcrvaagt in dat geval.

1.3 Kegel- en he\turing\principc\

Verreweg het belangrijkste principe voor de beheersing van dynamische \yitcnicii i s dc aluude terugkoppeling iI:ng: f&-back). Hct klassieke pcilbeheer is op dit principe gcb;i- seerd: het pcil wordt gemeten en vergeleken met een streefwaarde o f rclcrciiricwaardc iI.rtg x t point; refercnce value). ;ladra er een verschil bestaat wordt er een corniiiando gegevcii om een pomp o f geinaal in werking te stellen. Het commando kan autornati\ch worden gegeven, o f door tusscnkornst van de mens.

In het geval van een automatische regelaar is dc relatie tuswn dc hoogte van de afwijking c.ti

het te geven stuiirsignaal vastgelegd in het regelalgoritme. D i t hoeft geen statische rclaiic ic zijn; integendeel, regelaars met dynamische elementen hebben bewezen in vele gevallcri superieur te zijn. I;.nkelc zeer bekende regelaartypen r i j n de aanluit regeling, de proportiw nele (P), proportioncel en integrerende (PI), cn de proportioneel-integrerende en differenti~

erende regelaar (PIU).

I n het geval van tussenkomst van de mens spcleii in het algemeen de ervaring en vakkennis een rol. Zo zal een ervaren machinist bij een geconstateerde peilafwijking niets doen als hij weet dat de afwijking wordt veroor/i~ikt door opwaaiing. Ook weet hij op basis r'an ervaring vaak rekening te houden met de korte termijn weersvenvachting. En hoewel het heel moeilijk is in het algemeen een coinpleet inricht te hcbben i n de traagheden van het systeem, blijkt dat dit geleerd kan worden. rcxlat men rekening kan houden [net de karaktc- ristiekc tijdconstanten van het systeem, waardoor bijvoorbeeld harder pompen dan nodig i s wurdt voorkomen.

Men kan zich afvragen of deze menselijke expertise en intelligentie ook niet in de regelaars kan worden verwerkt. Inderdaad heeft de ontwikkeling van de regeltheorie een hele reeks van modificaties op het bovenstaande thema te zien gegeven, die meer of minder tegemoet komen aan de beperkingen van de klassieke schema's. Om een aantal te noemen: zelf- instellende regelaars, adaptieve regelaars die inspelen op langzame wijzigingen in het proces, regelaars met meekoppeling (feed-forward) van gemeten verstoringen, multivariabele regelaars, model referentie regelaars als niet alle geregelde grootheden kunnen worden gemeten, en regelaars gebaseerd op e e n interne modelbeschrijving. Het einde van deze ontwikkeling is nog niet in zicht. Kenmerkend voor bijna al deze modificaties is dat vcmr een succesvolle implementatie e e n veel grotere kennis van de dynamica van de te regelen syhiemen nodig is. Anders gezegd: waar bij de klassieke teruggekoppelde regelaars slechts e e n globaal idee van de dynamica is vereist, is voor de meer geavanceerde vormen in hct algemeen een expliciet model nodig. Zo'n mmiel ml dus wel te voren moeten worden gemaakt, dan wel on-line moeten worden geschat uit de afwijkingen die optreden. Boven- dien wordt veel intensiever van informatiestromen gebruik gemaakt. Dit is de keerzijde van de medaille. Het voordecl van de dalende hardwareprijzen wordt dan ook in de praktijk in belangrijke mate getemperd door de toenemende software kosten.

Hct belangrijkste kenmerk van de tot n u toe besproken vormen van regeling is dat van te voren wordt vastgelegd hoe het na te streven referentiepatroon er uit moet zien. Anders gezegd, er wordt van uitgegaan dat op een of andere manier is vastgesteld dat de gekozen referentiewaarden of normen op de beste manier de belangen dienen. De wijze waarop dit gebeurt kan velerlei zijn, maar speelt voor de feitelijke regeling geen rol meer. De zin van de geformuleerde streefwaarden op zich wordt binnen dit concept dus niet ter discussie gesteld.

Dat is wel het geval bij het tweede concept van sturing, nl. dat van de optimaliserende regelaars. Bij dit principe wordt allereerst de doelstelling gemalpeerd van het systeem als geheel, en vastgelegd in e e n expliciete doelfunctie. Dit betekent dat niet wordt uitgegaan van een vaste set van peilen en andere set-points, maar van een doelfunctie waarin de kosten en opbrengsten van de beheersing worden vastgelegd, gewogen naar de verschillende belangen, en berekend over een bepaalde tijdsspanne.

Ik werkwijze is in grote trekken al\ volgt. Ik benodigde i n g r d i e n t e n ~ i j n in eerste initantie de diclfunctie, een dynamisch model v<mr het systecrn. en een te voren zingenw men standaardpatrrx~n van externe vcrstiiringcn (hilvtnrhceld weersinvlocdcn). I l i t g a n d c van de gcformulccrde dwlfunctie wordt eerst niet behulp v a n het miwiel hcrekcrid wat hij di- gegeven externe verstoringen het optimale verloop van de tc~'staridsvariat>cIc~i e n het d u r v o o r benuiigde verloop van de stuurv~riabelcn JOL moeten zijn, als hct model correct was en de externe verstoringen zich r o roudcn voordoen als aarigenomcn. 1111 optimale verloop kan dus over de gegeven horimn tevoren wordcn berekend, waarbij het resiilta;it ccn reeks van ~tuuriignalen voor de corrigercnde organen zoals geni;den, k l e p p a , sluircn c d . i s . Vervolgens wordt het principe van feed-back tccgcpast om te coiiipen\crcn voor hct feit dat het rn(xlcl nu emniaal nict correct is. cri voor het feit dat dc extcrnc vcrstoringen zich anders gulrageii dan oorspronkelijk migenoiiicn.

Het i s duidelijk dat in deze benadering gccn iprake i s van vaste peilen e d . . mrnr dat tc allen tijde gestreefd wordt n a r rniniinalii;itic van de netto laiten (kosten - ophreiigrten) i r i r het i>eheer. gesommeerd ovcr alle helanghebbende panijcn. Vandaar de nzirn optirnaliiercn~

dc rcgcl;iars. of, r n w r algeinl.i.ri, dynamisch optiiiialc stiiring. Wat er gebeurt l i j k t >cel (>p de strategische optiinalisatie, inaar het verictiil is dat de w r i n g e n nu riict w n dynamisch inodcl en nict met een statisch n i ~ x l c l o f ;di I;irige teriiiijn geiniddcldcn worden berekend.

(hik in het veld van dynamiich optimale sturing r i j n vele varianten te vinden. Ik mcthodc l i

nog betrekkelijk nieuw, waard»or er nog veel onderroek aan wordt verricht. Enkele Iklangrijke thcnia's r i j n iindcr r n w r de rohuiisthcid van dergelijke rcgelalgoritnicn (m.a.w.

wat gebeurt er als de structuur van het syitcein verandert). dc wijre waarop het niuiel rr1ol.I worden hcp;iald. de problemen van nict~liiicariteitcn, algoritmen voor de ~ct1;itting van de werkelijke t(csland uit (beperkte) inctinpen, cn7ov»ort. Het aantrekkelijke van de methode is gelegen in de integrale belangenafweging, inaar daar staat tegenover dat E n dyiiaiiiisch rn«del nodig is en intensief rckcnwerk.

1.4 Ik a r t i i l l c ~ h i e l : het i i i a l h r r i i a t i w h niodel

l

rol. In de praktijk kan met het maken van een goed model ecn flinke hoeveelheid tijd (en geld) zijn gemoeid. Niet alleen is een goed inzicht nodig, maar vaak moeten ook heel wat meetgegevens worden verameld. b v e n d i e n is het maken van een geschikt model voorbe~

houden aan enkele schaar= specialisten. Hei is derhalve van belang het onderzoek te richten op (a) het ontweqxn van algoritmen die minder gevoelig zijn voor de kwaliteit van het model, of (b) methoden van %mi-auiomatische modelvorming. In dit rapport gaat het er orii de aandacht te vestigen o p de interei%mte mogelijkheden van nieuwe methoden voor sturirig van waterbeheer. We moeten ons enthousiasme niet laten temperen door de beperkingen die gelegen zijn in d e modelvorming. Aan de andere kant kunnen we natuurlijk niet de ogen sluiten voor deze problemen. Ik wil daarom de volgende stelling poneren:

De invoering van geavancccrdc sturingssystemen in de praktijk zal alleen kunnen slagen indien hei gebrek aan betrouwbare dynamische modellen wordt gecompensïcrd door de toevoeging van zelf-lerende e i g e n s c h a p p

1.5 Een waterkwaliteiL~vourbeeld: besturing van het Zaangemaal

'I'er illustratie van de mogelijkhulen volgt hier een beknopte beschrijving van de regeling van het zuurstofgehalte van de 7 a n door sturing van het k i n g e m a a l . Dit is ccn vwrbccld van de eerste categorie van toepassing van modelgebamrde sturingsmethoden, waarbij de streefwaarden (grenswaarden) te voren zijn vastgelegd.

Hoewel de industriele lozingen reeds aanzienlijk zijn teruggebracht leidt de stagnatie van hct water in de Zaan tot lokale ophoping van gelwsùe effluenten, waardoor plaatselijk de zuurstofgehaltes tot onder d e norm kunnen dalen. Om dit te voorkomen wordt o p een tweetal plaatsen in de 7aan het ruurstofgehalte gemeten (zie Figuur l S a ) . Een

mathematisch model is gebruikt om uit te rekenen bij welke condities acties n d i g zijn, en wat de effecten daarvan zijn. In plaats van het on-line gebruik van het model zijn de uitkomsten van een groot aantal simulaties vertaald in een eenvoudige grafisch hulpmiddel, waarmee d e pompmachinist kan beslissen of er gemalen moet worden. en zo ja, met hoeveel pompen. Omdat malen ook invloed heeft op de waterstand, wordt uitdrukkelijk rekening gehouden met het peil, zodat de regeling i n feite een multi-variabele regeling is. Het gevolg

van het rekening houden met kwalitcitiaspeclen is dat ~ e k e r niet g e t r w l ' d wordt n u r handhaven van een vast peil, maar dat juist om wille van de stuurinogclijkhcid liet peil t(>t o p zekere hoogte wordt Ií~sgelatcn, uiteraard zonder dat bepaalde g r e n m i wiirdm uverichri.~

den.

I k gang van a k e n ziet e r als volgt uit. Op gri~iid van hct zuurstofgehalte z o d s o p de t u c c ineetlokaties gemeten, w(1rdt d ï waterkualiteit geklassificeerd in e e n van de h iiiogclijkc k l a s x n volgens Figuur 1 .Sb. Vervolgens wordt het actuele peil bepaald d í x ~ r middeling iaii het peil bij het Taangemaal en hei telefonixh hij een automatiiche "peilspreker" op te vragen peil bij Spijkerboor (bovenstríx>ms). Bij d e t w w aldus verkregen gegcbcns, gemeten peil eii getiieten ruur~toigclialtc, wurdt nu in het diagram van Figuur 1 . 5 ~ afgclezcn niet welk debiet e r geiiialen m w t worden. Van d e l e grafiek b c s m t win z o m e r cn een u'iiitcr- versie, w a a r d ( x ~ r bereikt wordt dat rekening gehouden wurdt met de per pcriode o i c r w c ~ gend te verwachten wwrwinstandighcdcn en d e verschillen in na Ie streven u;itcrstnnd. [ > i 1

is d u s in feite ecn eenvoudige vorni van w n feut-forward clement in de sturing. met daarnaast tijd variabele rcfcreriticwaardcn die d w r dc externe doelstcllingcn rijn I>cpa;ild.

I X z c regelstrategie wíirdt per etmaal getiantcerd. r n a r het maatregiem uiirdt aangepast indien tijdens hct nialen aanzicnli~kc wijzigingen in zuiirstofgehalte c n l í ~ f p a l wurdcii geconstateerd. %o ~ i j n e r nog enkele details in hct "algoritme" waarop hicr niet wordt ingegaan.

Figuur l . 5 a Het 7 a n ~ s y s t w r n

12

a - i : t 7~ ~7 .-

z : ~.

7

Figuur 1 . 5 ~ Richtlijnen voor de besturing van het gemaal

Dit systeem wordt al een aantal jaren met redelijk succeï toegepast. Wel wordt geconsta- teerd dat men soms te laat is met actie: het zuurstofgehalte op de meetpunten daalt dan aanvankelijk verder en herstel treedt pas later op. Vermoedelijk komt dit door de aanwezig- heid van zuurstofarme proppen water op andere lokaties dan de mectplaatsen. Deze komen door de looptijd in het systeem pas geruime tijd na het begin van het malen aan het licht.

Uiteraard zijn op dit schema verbeteringen mogelijk. Voor de hand ligt het aantal meet plaat^

sen te vergroten. Nog beter zou het zijn indien de verstoringen, in casu de lozingen, on-linc zouden kunnen worden geregistreerd. Verinwdelijk kan in dat geval het model nog steeds

off-linc worden gehriiikt, al zal de graliichc prwc<liire wat cimplcxcr worden

I k n andere mogelijkheid is gcbruik te maken van een verondersteld stand;nrdpatrwn van di:

lozingen. Hierop kan dan volgens het principe van de dynainisch optimale sturing de stiiriii:

van het gemaal als tijdsfunctie worden berekend (waarbij hei in principe gccri probleem i\ 111

de doelfunctie rekening te houden met de bulieniiig~kostcn en de beperking d;it slecht\ w n discrcct a a n l i pompdebicten mogelijk i s in dit gcval). Daarna wordt de actuelc iiicting gebruikt om de optiinale sturing tc corrigeren. Hiervoor zal whter vrijwel rcker on-line e i i i coiiiputer nodig /.ijn. Deze kan dan worden v ( x ) r ~ i e n van s i m u l a t i e g e r ~ s c h ; r p waarmcc de hulieningsman de gevolgen van het inalcn vuix de koiiiende periode kan siniulercn.

Natuurlijk s m t het niet van te voren vast dal de kosten van de hierboven gesuggerccrdc verfijningen opwegen tegen de te behalen vrxirdelcn. Maar ook de ecnvuiidigc irnpleiricntatic die nu gekoren is gccft wellicht aan anderen ecn stirirulan~ om ecns vcrder na te dcnkcii over de mogelijkheden van sturing op basis van een goed inlicht in de sy\teeindynainica vtxlr hiin g e b i d . h a r n a a s t ml het duidelijk fijn dat er voor de ondcrrwkwcrcld nuf ccn in1eresi;int terrein te bctrulcn i s . I>it rapport w i l d:mvan getuigen.

l .h O p b o ~ i w v a n het rapport

Ik lezingen van deze publicatie r i j n met opzet i n ccn volgorde geplaatst uaarin de h o i c i i geschctstc ontwikkelingslijn i s xingehoiidcn. I n de cerstc bijdrage gaat (;cldof in op de n»od7aak de dixlen van het operationeel hehccr scherp te furmuleren. Ilaarhij hrcckt h i j ceii lans voor het althans ten dele vervangen van rcfercniicu'anrden (normen, rtaiidaards, vuistregels) door ccn doelfunctie waaruit het gewenste gulrag dynamisch kan worden afgeleid. Gecn sturingralgoritme ronder duidelijk geforinuleerde doeistclling. Hierop

;nnsluitend gaat Nelcn in u p het begrip besturing\\trategic. en met welke apectcn en Cdctoren rekening moet worden gehouden. I k n besturingsstrdtegie bcsta;it d i i i uit ecn tijdreeks van sluringen, die eventueel kunnen worden geimplernentecrd via dynamische instelling van de set-points van de primaire regelkringen. Xaals hierboven uitecn:e,ct \peelt in deze benadering van de dynamische optimaliutie van ecn expliciet gefí>rniuleerde doclstelling het model van het systeem een wezenlijke rol. Het model vormt het onderucrp

van de lezing van Schuurmans. H i j wijst op het cruciale belang van modelsirnulaties, nict alleen voor het beheer, maar »ok voor ontwerp, modernisatie, en training van perv~necl

Nd de= inleidingen vanuit de theoretische h e k volgen lezingen waarin de praktijk centraal staat. Allereerst gaat Van Oosten i n op het nieuwe automatische besturingssysteem voor het rioolstelsel van de stad Utrecht. (lil dit voorbeeld wordt duidelijk dat de te kiezen strategie afhankelijk kan zijn van de omstandigheden. D e verstoringen in het waterbeheer zijn duidelijk nicl te karakteriseren als kleine perturbaties, maar kunnen zeer wezenlijk zijn (droog versus regenweersituaties). Aansluitend geeft Uc Srnit een overzicht van het ontvangende oppervlaktewater, en de mogelijkheden de waterkwaliteit te beinvloulen door manipulatie van het debiet van de Vecht. Hel is daarbij interessant om te bezien i n hocverrc de nagestreefde optimalikit b i j het rioolbeheer ook geldt indien het zuiveringsbeheer en het oppervlaktewaterkwaliteitrbeheer in de beschouwingen worden betrokken. Tenslotte g a f t Hartong een expose over de autornatirering van het pcilbeheer in de Flevopolder, waarbij w n groot aantal praktische aspaten de revue p a s w r t .

VAN PEILBEIIEER NAAR WATERBEHEER

2.1 Inleiding

In dit onderdeel van het rapport "Sturing in het waterbeheer" wordt ingegaan op de norrnerings- en beoordelingsproblematiek. Sturing in het waterbeheer is geen doel op zich.

maar een hulpmiddel om te komen tot een optimaal waterbeheer met betrekking tot de te dienen functies en belangen. Hierbij zijn normen nodig, waarin de aan het waterbeheer gestelde eisen zijn vastgelegd. Sturing heeft alleen dan zin, als door die sturing beter wordt voldaan aan de gestelde normen, bij voorkeur tegen zo laag mogelijke kosten. Het is dan ook van groot belang veel aandacht te schenken m het formuleren van die normen. Hoe worden ze vastgesteld, hoe moeten ze er uitzien en wat zijn de gevolgen als er al dan niet aan wordt voldaan?

In deze lezing wordt begonnen met een beperkte analyse van de problematiek rond het vaststellen van normen (eisen, wensen, beleid, richtlijnen, deelfuncties, operationele doelen enz.). Centraal daarbij staan de termen benutting en beoordeling. Aan de hand van een beschouwing van twee cycli binnen het waterbeheer wordt aangegeven wat de rol van normen binnen het waterbeheer is. Vervolgens wordt een beperkte opsomming gegeven van normen, zoals die in het verleden zijn toegepast of in het heden worden toegepast.

Onderscheid wordt daarbij gemaakt naar normen die betrekking hebben op de gewenste toestand van een systeem en normen die betrekking hebben op de gewenste dynamische eigenschappen van een systeem. Op basis van de voor en nadelen, die opgesomd kunncn worden bij de huidige normen, wordt een schets gemaakt van een beoordelingssysteein zoah dat er in de toekomst uit kan zien. Daarbij wordt ingegaan op de mogelijkheden om het waterbeheer af te stemmen op de verschillende belangen binnen een beheersgebied, leidend

tot een situatie waarbij tiieer inhoud aan het waterbeheer wordt gegeven dan iiitsluiteiid peilbeheer. Tot slot wordt tcriiggckccrd naar liet thciiia van de bock "Sturing in liet waterbeheer". Aangegeven wordt wat wel en wat niet iiiogelijk is bij sturing en ingegaan wordt o p de relatie iiiet de in dczc lezing naar vorcii gebrachte bmrdclingsproblciiiaticl,

2.2 Benutting en beoordeling

Het waterbeheer in Ncdcrland wordt volop geautoinatiseerd en gecoiiipiiterisccrd. Seiisoreii.

Programmable Logic Controller's (PLC's), inodeiiis, datalijnen. PC's, regelaars, gegeveiis- verwerkende prograinniatuur. van alles wordt aangeschaft oin de taken in het waterbeheer zo efficiënt mogelijk uit te voeren.

De volgende vragen kunnen worden gesteld:

l "Wordt door de aanschaf van de hard- en software het waterbeheer in Nederland ook daadwerkelijk verbeterd?" en

2 " Z o ja, hoe wordt deze verbetering uitgcdrukt'!".

Deze twee vragen staan c e n t r a l in dit rapport.

De eerste vraag heeft betrekking op de benutting van de mogelijkheden die geboden wordeii door de huidige apparatuur. Het kan namelijk niet de bedoeling zijn oni met behulp van computers en meet- en regelapparatuur het beheer te iniiteren dat voorheen handmatig werd uitgevoerd. Het moet toch mogelijk zijn om met de moderne hulpmiddelen iets extra's toe tc

voegen aan de kwaliteit van het watcrbeheer'! Ccautoinatiseerdc beheerssysteineii keiimerkeii zich door de grote hoeveelheid aan inforniatie die vrijkomt. Waterstanden, debicten.

waterkwaliteitsgegevenr, bedrijfsgcgevens en informatie die men voorhccn niet veel pijn cii moeite kon verzamelen komt nu na enkele toctsaanslagen ter beschikking van de

waterbeheerder. Deze vrijkomende informatie moet kunnen worden benut om het waterbeheer te verbeteren:

a door het grotere inzicht dat de waterbeheerder heeft in het functioneren van het watersysteem (meten is weten), kan hij het beheer zodanig aanpassen, dat beter wordt voldaan aan beleidsdoelstellingen die zijn geformuleerd. Ook wordt door het vrijkomen van informatie een basis gelegd v w r het formulcrcn van meer genuanceerde beleids- doelstellingen;

b in het dagelijks beheer kan vrijkomende informatie worden gebruikt om kunstwerken (pompen, stuwen) zo in te zetten, dat beter dan voorheen de gewenste toestand van het watersysteem wordt benaderd of nog algemener: dat beter dan voorheen wordt voldaan aan een vastgestelde doelfunctie. In beide gevallen wordt een beslissingscyclus op basis van kennis over het systeem van buitenaf bemvloíxl en is er sprake van een sturing, een sturing in het waterbeheer. Ook al ligt het in de bwl»cling van deze publicatie om met name aandacht te schenken aan d e onder b. genoemde vorm van sturing in het waterbeheer, toch passeren in dit rapport beide vormen de revue. Dit omdat beide vormen van sturing onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn bij het vormgeven van w n beheer dat meer is dan uitsluitend peilbeheer. Dit geldt met name als het begrip integraal waterbeheer om de hoek komt kijken.

De tweede vraag haakt vrij direct in op de eerste vraag. Gesproken is over

beleiddoelstellingen, de gewenste toestand en de doelfunctie. Hoe zien deze er uit en hoe kan het gedrag van een watersysteem er aan worden getcxtst? We worden hier

geconfronteerd met het zgn. beoordelingsvraagstuk. Waterbeheer dient er op gericht te zijn dat mens, milieu en welvaart optimaal wordcn bcdiend. Hoe kan dit optimaal waterbeheer worden gedefinieerd? Meer specifiek: het is noodzakelijk om tcchnieken te hanteren waarmee het gedrag van watersystemen kan worden beoordeeld. Twee ingredienten zijn daarbij onontbeerlijk:

a variabelen die reprexntatief zijn voor het gedrag o f de toestand van het watersystem;

b kentallen waaraan deze representatieve variabelen kunnen worden getoetst (normen).

Van een variabele (bijvoorbeeld: de waterstand) moet bekend zijn wat de positieve en negatieve gevolgen zijn van wijziging van de waarde ervan voor iedere groep van belangen die in het beheergebied aanwezig is. Bij het vaststellen van normen moeten de gevolgen voor de afzonderlijke, vaak tegenstrijdige belangen worden gekwantificeerd. Er moet dus impliciteit een afwegingsprocedure in de norm zijn verwerkt.

2.3 De cycli in het waterbeheer

Kuwweg kunnen in het waterbeheer twee cycli worden onderrcheiden: de beleidscyclus en

de behcercyclus. I k i d c zijn weergegeven in figuur 2.1

l i g u u r 2.1 T w w cycli in het watcrhctizci

Rij de beleidicyclus wordt de behccriituatic gctoetst aan norinen. I ~ a a r h i j h o r d t een probleem geiignalcerd als de behecrvtiiatic w n discrepantie vertoont mct de gestelde eisen D i t kan komen d r x ~ r ontwikkelingen in die hzhcersituatie o f d m r ontwikkclingcn in de normering. Daarbij is laatstgenoemd voorbeeld erg actueel. I l í x l r rnaatichappclijke ontwikkelingen o f nieuw verkregen inzichten kan lict voorkomen dat normen bijgesteld m m e n worden. F m iprckcnd víxirhwld daarvan kan wordcn aangetroffen in de landinricb ting. Jarenlang is »p h a i i i van cconimiiche overwcgingen hij de ontwatering van akkerland uitgegaan van cen optimale draindieptc vari 1,20 inieter. Door de kennis die i i opgedaan inct betrekking tot verdroging is deze norm bijgcitcld en wordt er tegenwoordig naar gestreefd minder diep, maar wel intensiever te draincrcn. Hierdoor wordt meer water vastgehouden.

I k n ander vrnrbccld hctreft het brakleggen van landhouwgcbiedcn. I n landbouugebiedcii wordt tcn hehoeve van de opbrengil en de bcgz~rih;i;irheid van het land a n strak pcil zinge- houden. Terecht wordt dc vraag geitcld, of het h i j braakliggende terrunen nog wel

iioodmkclijk i s íirn dit strakke pil te handhaven. Wellicht kunnen de gebieden nu waterhuishoudkundig op een andere nianicr wíirden benut. Op b a i s vari gesignaleerde

problemen of de gewijzigde inzichten wordt in de beleidscyclus een beleid geformuleerd. Bij deze beleidsvorming worden gewenste ontwikkelingen aangegeven. Om die gewenste ontwikkelingen kracht bij ie zetten worden regels ontworpen (normen). Deze regels grijpen in op het bestaande beheer (er worden nieuwe operationele doelen geformuleerd) of er worden nieuwe systeemelementen ontworpen, waardoor met handhaving van dezelfde beheerstrategie wel aan de doelstellingen wordt voldaan. Tijdens het beheer wordt nagegaan of de beleidsdoelstellingen zijn gerealiseerd (de toetsing). Is dit niet het geval, dan wordt een probleem gesignaleerd en wordt het beleid aangepast etc. De beleidcyclus wordt met een geringe snelheid doorlopen.

Veel sneller wordt de beheercyclus doorlopen. Deze cyclus bevindt zich binnen in de beleidscyclus en bestaat ongeveer uit dezelfde elementen. In figuur 2.2 is een schematimie van de beheercyclus weergegeven. Het betreft de klassieke weergave van een regeikring uit de meet- en regeltechniek.

Figuur 2.2 De beheercyclus

In de beheercyclus worden metingen venicht aan de toestand van een systeem. De gemeten waarden worden vergeleken met de gewenste waarden (normen). Wordt een verschil waargenomen, dan volgt een regelactie. Deze regelactie wrgt ervoor dat de toestand van hct systeem zich wijzigt richting gewenste toestand. Is de gewenste toestand bereikt, dan blijft een regelactie achterwege. Aan de hand van het traditionele peilbeheer kan de beheercyclus worden geïllustreerd. De waterstanden worden op e e n of meerdere plaatsen gemeten.

Ikvinden d w e r i c h deze Ihoven p i l , dan wordt bijvoorbccld een geniail ingeret. I>it gerna;il blijft werkcii totdat de waterstanden m grml als inogelijk is ovcreenkoincn niet het pil. I n dit geval wordt het pil als de norm. de gewenste tre\tand. gehanteerd.

Bestudering van de twee cycli lcert, dat norrricii een zeer belangrijke plaats innemen. %c komen nict uitsluitend op meerdere pl;ntscri in tiet schema voor, ze i i i w t c n er ook voor zurgdragcn dat de verschillende cycli op clk;i;tr afgcsteiiid worden. Zonder grede noriiicii zal het waterbehwr uiteenvnllcn in ccn aanuil mwiiieiihangcnde actie\. I:r wuidt altijd gcrcgd, dat een ketting net m sterk is als r i j n zw;ikstc schakel. Wordt nu gekeken naar de praktijk van het huidige waterheheer, de ornvangri~kr beleidsstudics cn de enorme ontwikkelingen op hct g c b i d van de tc.chnick, dan k i n worden gcc<init;iiccrd. dai j u i \ l d r normen de zwaksic schakel zijn.

G a t het in het waterbeheer oni sturing, dan wordt verzamelde rysteeirikcnriis gebruikt uni het statische karaktcr van ccn cyclus te drx~rbrckcn. I>it /;<I inhuiidcn, dat hijvuorl~celd kwantiteitshcheer in ccn polder nict w n constant ( s t r c c f j p i l wordt gchariteerd, in;i;ir dat afhankelijk van de situatie een gcwcnste twst:ind wiirdt gcdcfiniecrd. Het iricigc duidclijk zijn dat het daarbij van vitaal I~elarig i \ dat de twee genoenide cycli mrgvuldig op elkaar worden afgestcrnd.

2.4 Sorriicri iri hel hcdeii er1 hc1 verleden

Voordat wordt ingegaan op de gewenste systematiek hij het beoordelen van waicrsystemcn worden enige b c s h n d e norinen op het gchicd vali tiet watcrbchecr kort belicht. Uaarbij wordt onderscheid gemaakt naar:

l norinen die betrekking hebben op de gewenste ~itiiatie;

2 normen die betrekking hebben op het gewenste dynamische systeeiiigcdrag.

Het v e r x h i l tusxn beide vorrnen vari norinen ^{i \} weergegcven in figuur 2.1.

Zoals gesteld, wordt in het watcrt~chccr de werkclijkc toestand getoetst a n de gewenste toestand. Korncn deze niet overeen, dan volgt ccii actie. Normen die inhoud geven aan de gewenste tccsund wordcn tot de eerste g r i e p gerekend. Door invloeden van buitenaf

Figuur 2.3 De gewenste toestand en het dynamische systcemgedrag

(neerslag, lozingen etc.) zal de werkelijke toatand van een watersysteem regelmatig een afwijking vertonen tcn opzichte van de gewenste toestand. Normen die grenzen stellen aan de afwijkingen ten opzichte van de gewenste toestand worden tot de twccdc groep gerekend.

Normen die betrekking hcbben op de gewenste toestand kunnen worden gezien als een eerste orde norm, normen die betrekking hebben op het dynamische systcemgedrag kunnen worden gezien als een tweede orde norm.

2.4.1 klet peil

Het ineest bekende voorbeeld in het traditionele waterbeheer van een norm die betrekking heeft o p de gewenste toestand van een systeem is het peil. In poldcrs worden nu in de meeste situaties een winter- en een zomerpeil gehanteerd. Het is mogelijk, dat in de toekomst een nog meer gedifferentieerd verloop van peilen zal worden gehanteerd.

Aangezien een peil over een korte tijdsinterval constant is, zijn aanvullende normen nodig o m grenzen te stellen aan het dynamisch gedrag van een systeem, bijvoorbeeld de maximale waterstandsstijging (2.4.4).

D e Hoogwater-lijn (HW-lijn) en d e Normaalwater-lijn (NW-lijn) worden in het waterbeheer voornamelijk toegepast in ontwerpsituaties. Aangezien de HW-lijn en de NW-lijn betrekking

hchben op stationaire il>eriii;iricntc~ a l v i ~ r s i t ~ i a t i c i . I i l r i w ongeschikt v i x u ii~p;ts;n$' 111 Iict real-tirnc-beheer.

B i j aan- en afvoern~irinen worden eisen gcstcld ;m de hoeveelhcdcn water die aangevoerd inccten kunnen worden o f aan de h o e v c c l i i u l ~ i i v.ater die afgevixrd inoeteii kiiriiicn u ~ i r d e i i .

'1 ~,>crrmr~ncri I x n vrx~rbccld van w n aanvwrnoriii i s 0,167 l i s per ha en xx~rhceldcri i a i i i

zijn: I ,33 l i s per ha of 8 m'lniin per IM) ha. I k / c viwrbcclden hcbl~cn hctrckking op landelijke gebieden Net als de H W - l i j n en de NW-lijn hebben a a n en alvocrnorriicn betrekking op stationaire sitiiaties, w z i r d ~ x ~ r K ongeschikt r i j n voor reai-tiiiie~hchecr. tiet aardige van dere niirnicri 1s cchtcr, dat /c niet direct betrekking hcbhcri op het 1x11 in wii i~ctiwrgebied. A a n en afvocrnoriiicn worticn I>cp;l;ild op liaiis van eiscri. die d<xir hcp:wldc bclangcngroeperingcn hirincn liet beliccrgct~icd worden g c ~ l d . I>ix>r de aaii- cri

afvccrnormen te k o p p l c n ;m waterkw;iliteitic~~cri, liai1 een bnsii gelegd wordiii v w r een aanpak die inecr dan het hanteren van ccri ístrcefjlxil gericht i\ «p integraal watcrhehwr.

I k inaximale watcritandiitilgirig i s wclliclit de \,;iri;il>clc die hei rnecst gebruikt wiirdt wxlr dc begrenzing var] het dynaiiiiich gulrag van een uatcrsyitwm. G w l c f i n i w r d i o r d i ccn bili met w n theoretische herhaingstijd 'I'. Cicitcld u o r d t dat de waterstand op een specifieke p i a i s njet hoger mag krlrncn daii h,,,. h(1vc11 pil.

flcn voorbeeld var1 cen niirm i s :

" l 3 i j w n bui, waarvm de irilioiid ecii thc<ircrische Iierlialingstijd hcel't van I 0 jaar, mag de u'atcrstand niet hoger uitkomen dan 0.40 iiictcr boven peil". Ik norni op basis van de watcritandsstijging is erg iel. 1% wordt uitiliiitciid gekeken naar het syitccingcdrag in een cxtreinc situatie en er wordt g w n onderscheid g e m a k t tuswn een sitii;itie waarin het peii gedurende e e n uur rnct 0,40 meter wordt iivcrichredcn en de situatie waarin het peil gedii- rende meerdere &gen rnct (1.40 meter wiirdt r~verschreden. O m tegemoet te kriiiien aan Iaatitgenoeinde nxlccl kan de hcriteltijd íluligingitijd) i n bcrchouwing worden genomen.

Figuur 2.4 De maximale waterstandsstijging en de ledigingstijd

2.4.5 De hersteltijd (Icdigingstijd)

&n voorbeeld van een norm, waarbij eisen worden gesteld aan de hersteltijd is:

"Bij een bui, waarvan de inhoud een theoretische herhalingstijd heeft van 10 jaar, moet na 24 uur 80% van de oorspronkelijke drooglegging (bij peil) wederom aanwezig zijn".

Voor polders worden door toepassing van deze norm duidelijke eisen gesteld aan de bemalingscapaciteit. Zoals te zien is, kunnen normen met betrekking tot de hersteltijd uitste- kend worden gecombineerd met normen die betrekking hebben op de maximale

waterstandsstijging. Het merkwaardige is, dat deze combinatie in Nederland zelden wordt gemaakt.

In figuur 2.4 is in algemene zin de samenhang weergegeven tussen de maximale afwijking ten opzichte van de gewenste situatie (bijvoorbeeld: de maximale waterstandsstijging) en de

hersteltijd. Het is niet nwdzakelijk dat de normen betrekking hehben o p watentanden t . o . \ peil. Het is ook goed mogelijk om ecn soortgelijk schema te bedeiikcii voor dcbieten of variahelen die betrekking hebben op de watcrkrialiteit.

Het grote bezwaar van de twee genoemde normen die betrekking hebben op liet dynamisch gedrag van een systeem is, dat ze gebaseerd zijn o p e e n extreme gebeurtenis. bijvoorbeeld een eens-per-10-jaar-biii. Nu !an een eciis-per-lolaar-bui in een uur vallen, echter hij !an ook verspreid vallen over twee dagen. Bovendien wordt bij hanteren van d c normen ueiiiig inzicht verkregen van het systeemgedrag in dc overige 3651 dagen die tot de 10 jaar behoren.

2.4.6 Scores en s t a n d ; i a r d a f ~ i j k i n g r i i

Om meer inzicht te krijgen in het systeemgedrag bij "noriiiale" beheersitiinties. kunnen bijvoorbeeld simulaties (zie volgende voordracht) wordeii iiitgevocrd niet een reele reekh met neerslaggcgevem of effluentgegeveiis. Wordt daarbij een jaar doorgerekend nict tijdstippen van een uur, dan worden per variabele 87h0 waarden verkregen. De kunst is nu deze 87h0 waarden te beoordelen.

1

Een mogelijkheid om tot een beoordeling (en cen norm) te komen, is weergegeven in figuur 2.5. Daarbij wordt een drempelwaarde gekozen en wordt een integratie uitgevoerd over dat deel van de waarnemingen, dat zich boven d c drempelwaarde bevindt. D e maat (scorc) die dan gevonden wordt is het oppervlak van het in figuur 2.5 gearceerde gebied.

F m ipeciale score is d e standaardafwijking. Daarbij wordt de drempelwaarde gelijk gesteld aan de gewenste waarde (bijvoorbeeld: het peil) en worden zowel te hoge als te lage waarden in beschouwing genomen. Voor waterstanden kan de standaardafwijking worden weergegeven als:

r ( h - peil)i

s

n-l n = het aantal waarnemingen.

Hct probleem bij scores en standaardafwijkingen is, dat ze geen fysische betekenis hchben.

Trn uitspraak van: de standaardafwijking is 0,05 m sprwkt niet w h t tot de verbeelding.

Een voordeel van t»cpassing van de standaardafwijking is, dat het statistisch ccn bctckenis heeft. D e standaardafwijking kan een ingang betekenen voor de meer probabilistische benadering van het waterbeheer.

Iets wat de laatste tijd sterk in opmars is, is het in beschouwing nenien van bedrijfskundige gegevens bij de beoordeling van een systeem v»or waterbeheer. Daarbij worden naast waterhuiskundige normen ook eisen gesteld aan werkuren, cncrgieverbruik, etc.

Een voorbeeld, -afkomsi& uit ecn studie voor Capeile ald I J s x l , is wwrgegeven in tababel 2.1. Rij dit voorbeeld zijn simulaties uitgevoerd met ncerslaggegcvens van het jaar 1988.

Verschillende regelingen zijn daarbij bedacht voor de inzet van de gemalen. Twee variabelen ter beoordeling van de regelingen zijn gctfxmd in de tabel. Daarbij blijkt dat besparing o p energiekosten, díwr voornamelijk buiten de piek- en plateau-uren te pompen, ten koste kan gaan van de jxiihandhaving. Er mw2 cen afweging worden gemaakt.

Aangezien het in dit voorbeeld veenweidegebieden betreft met plaatselijk zcer geringe droogleggingen, is een waterstandsstijging hoger dan 0,40 m (bij dit neerslagpatroon) onacceptabel. Derhalve is gekoz.cn voor regeling 5 .

c n c r g i c rnaxiiiialc k o ~ t c n watcrsuindr

stijging

regeling I f l I W 5 , W 0.38 in regeling 2 f l2053,W 0,14 ^{t i l} rcgcling l f l IIIXJ,(XJ 0,12 m regeling 4 f 5658,IXJ 0,42 m regeling 5 f 5902,W O,?h in

l i i j waierkwalitcitsri<ir~iic~i wiirdt brijwel uit\liiitcnd gekeken naar de gcwcii$te twstand i a n cxn systcern. I>aarbil valt op il;it veel duidclilkcr d;iit ijij ~ a t c r k w a n t i t e i t gcUillcn worden gcgcvcn waaraan geinctcri (IS berckcndc wn;irtleii icimccntralic$j kunneti wordcri gclict$i. III dat opzicht is er <hik veel duidelijker iprakc m r i echte normen.

Waar b i j waterkwaliteitsnormen nog cxn duidelijk bchocfte aan i\, r i j n noriiicn die iets zcggen over het dynamische systcxrngulrag. Wclkc variatiei milgen optrcdcn ei1 h1x: n i w t er gehandeld worden in het geval van c;d;iiniteilcn'! Als er icis is. dat al$ een p a l boven uilter staat, i s het wel hei 0 1 dat ituriiig i t i het waterbctiecr in de ioeklim5t v<x~rnarnclijk een sturing is op watcrkwaltteit. Dynamische n<irriicn r i j r i d u r b i j immthccrlijk.

Op m c r d e r e f r m t c n in Nulerland w w d i gewerkt aan c n normering die gericht i s op aquatisch leven (bijv<xirbccld: r n c t h d e K~>clcits). l<ij dele normen, die een stcrkc rclaiic hebben tnet waterkwalitcit$normcn, wordt aangcgcvcn wat de derving i$ aan ;iqiiati\ch milieu als functie van de oiiistandighulcn (de twstatid van het systccrn). Het keninerkctide van deze normen is, dat ze zijn gericht op cxn specifieke belangengroep binnen het

waterbeheer. In feite zou voor alle belangengroepen een serie normen opgesteld moeten worden, waarmee grenzen worden gesteld aan dervingen.

2.5 Beoordeling watersystemen in d e toekumst

Het overzich[ van normen uit het heden en het verlcden van de vorige paragraaf is niet compleet. Er kunnen, met enige moeite, nog veel ineer normen met betrekking tol het waterbeheer ;m worden locgevoegd. Verwacht mag worden, dat door d e ontwikkelingen die zich afspelen binnen het huidige waterbeheer het aantal normen in d e toxkc)mst alleen nog maar groter za1 worden. We lopen hierbi; het gevaar, dat een ocrwoud aan normen en richtlijnen ontstaat, waarin uitsluitend sterk gespcialiseerde waterdeskundigen d e weg kunnen vinden. Waar dan voor gevreesd moet worden is een verwijdering tussen d e waterbeheerder en zijn te beheren watcr (vermindering van d e betrokkenheid) en d e kans is groot dat binnen al die normen d e a m e n h a n g v w r een deel verloren gaat. Zolang het aankil normen nog beperkt is, al een waterbeheerder in slaat zi;n d e relativiteit van bepaalde normen in te zien. Sommige normen zijn namelijk zeer slecht onderbouwd. Ui; toencincndc complexiteit is het niet ondenkbaar, dat normen dogmatisch worden toegepast.

Al met al kan worden gee»ncludeerd dat d e kans grcx~t is dat, ondanks d e vclc imsitievc ontwikkelingen, d e normering d e meest zwakke schakel zal blijven bij d e cycli in het waterbeheer. Om te komen tot een oplossing, zal gezocht moeten worden naar een nieuwe systematiek voor het beoordelen van watersyitemen. Daarbij mrxtcn betere normen worden gegenereerd o f er m w t een mcthode worden gevonden oin normen een minder belangrijke rol toe te dclen. Dit laatste is het uitgangspunt bij d e systcmatick, w.aartoe in deze paragraal aan aanzet wordt gegeven. Waarbij worden, zo gocd als mogelijk is, d e positieve punten van d e huidige normen gecombineerd. Onderscheid wordt wederom gemaakt tussen d e gewenste toestand en hct gewenste dynamische systeemgcdrag.

2.5.1 De gewenste toestand

Ten aanzien van d e formulering van d e gewenste t ~ s t a n d van een watersysteem is het w e n . ~ l i j k eisen vast te stcllen o p een relatief hoog abstractieniveau. Vastgesteld moet

worden u'clke belangen i n w n hctiwrsychied aanwe/ig zijn en hoc de rcl;itie \;in de

vcrichillcndc belangen incl water kan worden t>c5chrcvcn. l 3 i j dcrc urientatic i111 tieI;in:cii lullen tcgcnstrijdighcdcn worden gccmitatcerd. %o /al de 1;indboiiw vragen oin ccii \ir;ihhc pilhandhaving, terwui vanuit de ri;itiiurtcchriischc t i w k de i<x)rkciir iiitg;~ii riaar cc"

natiiurlijk verlwip vati de waterstanden, r d a i iiicer gradienten wcirdcri icrkrcgeii. Deli.

tcgcn\trijdige hclangcn kuiiiicn uitsliiitcnd t~clcid\iiiatig wordcn ~ i p g e l ~ i \ t (de t>cleidrcycliii).

Het dcfiriieren van w n gewenste t r x i u n d is vrijwel niet niogclijk als nict crgcnh in liet prexm priorilcitcn worden gcitcld (het geven vaii ucpirigsfxtorcn) en Ihclarigcri icgcii c l k t i r wordcn afgewogen. 'Scchnickcn al\ lineaire prograiiiincring en m u I t i c r i t c r i a ~ ~ i r i i l 1 ~ i c s huiiiii.ii tiicrl>ij als hulpmiddel dicricn.

I k e n l i c c l i\, dat de niogelijhhedcii \;in dc ticdcridangse coiiiputcriiiodcllcri gocd worderi I>cnut. I > w r de grwc sneltieid w;i;iriiicc cIivcr\c situaties kiiniicn uordcri d<xir:crekeiid i i lic:

nii inogelijk om (als weging\laciriren bekend ~ i j r i ) de geueristc toestand IC lhcp;ilcn e~p i>:i\ii van de actiielc tc~lstiind. 1I;iarniec k m w11 ain/.~cnlijke \erbetering in liet w~tterl~cliccr wordcn hcwerkstclligd. Iii]v<xirl)ccld: d w r ecn "rc;ilbliiiic" afucging ban hcl;ingcn kan wcllichl worden vwrhiiincri <kil i c n gciii;ial 11p vollc cap;icitcil water iiilslaat op i c r i r i i i i r . terwijl ccn p;wr dagen later (gcbicdivrcciiid) w;iicr iiioct worderi ingcl;itcii iiiii drooglexlinclc te vwrkc~rncn

Hij derc methode is er g w r i sprake rriccr van rioriiicn in de Icitcrlijkc Tin. Het hccld dat wordt verkregen i s wwrgcgcvcri i r i ligiiiir 2.6.